面向終端用戶和設(shè)備制造商的Ethernet-APL

文/Thomas Rummel

利用Ethernet-APL可與現(xiàn)場設(shè)備快速聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化——Ethernet-APL（高級物理層）通過以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場設(shè)備的無縫連接，從而大大簡化了大型自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，并為流程工業(yè)的終端客戶帶來了極大的益處。

從簡單的傳感器到復(fù)雜的分析儀器，我們發(fā)現(xiàn)在流程工業(yè)中已安裝了數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)備，且每年還有數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)備在增加。即使在今天，大多數(shù)設(shè)備仍然使用4-20 mA技術(shù)，并通過HART協(xié)議來進(jìn)行數(shù)字點(diǎn)對點(diǎn)通信。像PROFIBUS PA和FOUNDATION Fieldbus H1等數(shù)字現(xiàn)場總線大約是在30年前被引入的，它們不僅給控制系統(tǒng)提供了現(xiàn)場設(shè)備的過程值，還提供了其他測量變量、各種參數(shù)和現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)等。顯然，這些數(shù)字現(xiàn)場總線的部署僅限于數(shù)量相對較少且通常是高度專業(yè)化的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊膹?fù)雜性和多功能性。這些數(shù)字現(xiàn)場總線通常需要大量的專業(yè)知識(shí)，還需特殊的網(wǎng)關(guān)組件，以將其集成到更高級別系統(tǒng)的以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中。除了會(huì)帶來額外的硬件成本外，配置這些網(wǎng)關(guān)也需相當(dāng)多的配置工作。為克服這些障礙，2022年推出了一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)——Ethernet-APL，用于與現(xiàn)場設(shè)備保持一致（同步）的以太網(wǎng)通信。該標(biāo)準(zhǔn)考慮到了流程工業(yè)的具體要求，例如用簡單的兩線制長距離橋接，不僅可提供數(shù)據(jù)通信，還可為連接的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行供電。Ethernet-APL與HART等現(xiàn)場總線相比，數(shù)據(jù)傳輸速率顯著提高到了10 Mbps，同時(shí)通過規(guī)范Ethernet-APL的性能標(biāo)準(zhǔn)也可實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。雖然Ethernet-APL是在低級別以太網(wǎng)基礎(chǔ)上定義新的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，但它也適用于任何基于以太網(wǎng)的高級別協(xié)議。Ethernet-APL初次實(shí)現(xiàn)了從生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)甚至公司網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)場設(shè)備的透明通信，且無需網(wǎng)關(guān)。此外，它還可自由選擇自動(dòng)化協(xié)議，以及與以太網(wǎng)相關(guān)的其他所有便利性，例如Web服務(wù)器、OPC UA和云/邊緣連接。

用于流程工業(yè)的Ethernet-APL現(xiàn)場設(shè)備可快速安全地進(jìn)行部署，而無需豐富的Ethernet-APL專業(yè)知識(shí)

Ethernet-APL技術(shù)已成熟到允許在生產(chǎn)環(huán)境中部署相應(yīng)的設(shè)備。然而，終端用戶和設(shè)備制造商在開始使用這項(xiàng)技術(shù)時(shí)都會(huì)遇到一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何在短時(shí)間內(nèi)獲得盡可能全面地運(yùn)行組件。對此，如果用戶使用契合現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施組件和通信模塊，那么這個(gè)挑戰(zhàn)的難度將會(huì)大大降低——如下文所述。

Ethernet-APL的不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

Ethernet-APL工程指示文件描述了Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)的三種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且Ethernet-APL支線的部署在這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都是相同的。Ethernet-APL設(shè)備可通過長達(dá)200 m的Ⅳ類電纜連接到交換機(jī)，并以10 Mbps的傳輸速率進(jìn)行通信。

· 在第一種拓?fù)浞桨钢?/p>

APL現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)直接連接到標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。現(xiàn)場交換機(jī)是安裝在控制柜內(nèi)還是直接安裝在現(xiàn)場取決于安裝環(huán)境。在此處，“控制網(wǎng)絡(luò)”可使用普通的以太網(wǎng)銅纜或光纖來實(shí)現(xiàn)。這部分網(wǎng)絡(luò)的典型數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)Ethernet拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

· 另外兩種拓?fù)浞桨?/p>

它們運(yùn)用了“APL中繼概念”。APL現(xiàn)場交換機(jī)通過Ethernet-APL干線連接到“控制網(wǎng)絡(luò)”。這兩種方案與第一種的不同之處在于，通過APL干線的供電位置（見圖2）。

圖2 主干 – 分支Ethernet拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假設(shè)現(xiàn)場設(shè)備使用第一種拓?fù)浞桨?，通過APL現(xiàn)場網(wǎng)關(guān)直接集成到“控制網(wǎng)絡(luò)”。針對這種應(yīng)用場景，Softing提供了一款現(xiàn)場交換機(jī)，其作為一款新的APL網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品可通過銅纜和光纖連接到“控制網(wǎng)絡(luò)”，此外，用戶可將優(yōu)化過的交換機(jī)型號直接安裝在現(xiàn)場和控制柜中。第一個(gè)Ethernet-APL現(xiàn)場交換機(jī)，作為原型，是一個(gè)直接安裝在現(xiàn)場的型號，其允許將Ethernet-APL現(xiàn)場設(shè)備連接到Ex zone 1和0，如圖3所示。

圖3 首個(gè)作為原型可用的Ethernet-APL現(xiàn)場交換機(jī)

網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性

為確保PROFINET網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，需嚴(yán)格控制Ethernet-APL設(shè)備所承載的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。否則，在峰值負(fù)載期間，個(gè)別設(shè)備將存在偶發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

在網(wǎng)絡(luò)從100 Mbps過渡到10 Mbps的情況下，100 Mbps“控制網(wǎng)絡(luò)”中更高的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載對于10 Mbps支線上的Ethernet-APL設(shè)備影響很大，因?yàn)樗鼈兊臄?shù)據(jù)吞吐量只有“控制網(wǎng)絡(luò)”的10%。對此，IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）制定了限制交換機(jī)端口的進(jìn)出數(shù)據(jù)流量的標(biāo)準(zhǔn)。Softing Ethernet-APL交換機(jī)支持這些網(wǎng)絡(luò)負(fù)載速率限制，從而可確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。

PROFIBUS PA設(shè)備

隨著企業(yè)開始推廣Ethernet-APL，他們會(huì)遇到這樣一個(gè)問題：工廠里沒有足夠的設(shè)備可用作Ethernet-APL模塊。在PROFINET Ethernet-APL網(wǎng)絡(luò)的特定情況下，這個(gè)問題可通過用現(xiàn)有的PROFIBUS PA設(shè)備來替換這些不存在的PROFINET Ethernet-APL設(shè)備而得到緩解。

到目前為止，將PROFIBUS PA設(shè)備集成到PROFINET網(wǎng)絡(luò)通常使用的是PROFINETPROFIBUS PA代理網(wǎng)關(guān)，如Softing的pnGate PA，且為了避免用戶在過渡期間安裝額外的網(wǎng)關(guān)，將PROFINET-PROFIBUS PA代理集成到Ethernet-APL現(xiàn)場交換機(jī)中是很有意義的——這使得PROFIBUS PA設(shè)備可直接連接到交換機(jī)上。

具有集成PROFINETPROFIBUS PA代理的模塊可用于所有Softing Ethernet-APL現(xiàn)場交換機(jī)。從技術(shù)層面上來講，交換機(jī)創(chuàng)建了一個(gè)額外的PROFIBUS PA網(wǎng)段，然后PROFIBUS PA設(shè)備連接到該網(wǎng)段。而在交換機(jī)的PROFINET設(shè)備中顯示的模塊可在PROFINET控制器中使用，以訪問來自PROFIBUS PA設(shè)備的數(shù)據(jù)。

在Ethernet-APL PROFINET設(shè)備和PROFIBUS PA設(shè)備都使用了PNO PA配置文件的情況下，現(xiàn)場設(shè)備提供的數(shù)據(jù)是相似的，用戶還可輕松將通信協(xié)議從PROFIBUS PA轉(zhuǎn)換到PROFINET。

現(xiàn)場設(shè)備

為了使基于Hart協(xié)議運(yùn)行的流程設(shè)備盡快適用于Ethernet-APL，設(shè)備制造商應(yīng)考慮使用與通信相關(guān)的硬件和軟件組件并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，而非開發(fā)全新的驅(qū)動(dòng)。

傳統(tǒng)的硬件開發(fā)項(xiàng)目不僅需要公司自己實(shí)施和驗(yàn)證所有Ethernet-APL接口方面（例如物理連接、電源和監(jiān)控），還需花費(fèi)時(shí)間去移植協(xié)議棧，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備屬性（配置文件）以及具有動(dòng)態(tài)行為的實(shí)際設(shè)備應(yīng)用程序。以上這些任務(wù)完成之后，該設(shè)備還需進(jìn)行各種符合性測試和認(rèn)證，除了一般的EMC和環(huán)境測試外，還包括APL物理層的符合性測試，以及各種現(xiàn)場總線組織的Ex認(rèn)證（根據(jù)需要）。過去的經(jīng)驗(yàn)表明，此類硬件開發(fā)會(huì)需要相當(dāng)大的努力以及長達(dá)數(shù)年的鉆研時(shí)間。

但是，通過使用像Softing commModule APL這樣的緊湊型、預(yù)認(rèn)證和可配置的電子模塊，則可省略或顯著減少上述的諸多任務(wù)，如圖4所示。

圖4 Softing commModule APL電子模塊

作為一種低成本的SMD硬件模塊，commModule APL不僅處理了所需的Ethernet-APL連接，而且還提供了可輕松配置的應(yīng)用軟件，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備所需的配置。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)——無需編寫任何代碼即可將現(xiàn)有的Hart和Modbus設(shè)備遷移到Ethernet-APL，且這些設(shè)備以前的硬件通信端口現(xiàn)在將由模塊的UART引腳以數(shù)字化方式來提供，然后再使用配置工具為設(shè)備應(yīng)用程序的現(xiàn)有Hart或Modbus命令定義所有必要的分配，并將它們永久上載到模塊上。commModule APL模塊的軟件在此配置的基礎(chǔ)上可自主處理與自動(dòng)化協(xié)議的映射。該模塊還可為電子應(yīng)用設(shè)備供電，并自動(dòng)直接從Ethernet-APL連接中獲取其所需的能量。

使用commModule APL模塊還可大大簡化現(xiàn)場設(shè)備的硬件重新設(shè)計(jì)的流程，且對于設(shè)備制造商而言，commModule APL模塊所帶來的極大益處是，該模塊已通過了全面的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和符合性測試，從而降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并為整個(gè)現(xiàn)場設(shè)備所需的相關(guān)認(rèn)證提供了參考數(shù)據(jù)。

commModule APL模塊解決方案提供的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是：它是其制造商產(chǎn)品組合中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此在維護(hù)該產(chǎn)品時(shí)，這些模塊可獨(dú)立適應(yīng)相關(guān)協(xié)議規(guī)范的進(jìn)一步發(fā)展，以及供應(yīng)鏈問題，從而減輕了現(xiàn)場設(shè)備制造商的負(fù)擔(dān)。